CCD信號采集系統的USB接口設計

CCD(ChargeCoupledDevices)電荷耦合器件是20世紀70年代初發展起來的新型半導體集成光電器件。由于CCD器件具有諸多優點：靈敏度高、光譜響應寬、動態范圍大、空間自掃描等，使得近30年來，CCD器件及其應用技術的研究取得了驚人的進展，特別是在圖像傳感和非接觸測量領域的發展更為迅速。目前，CCD應用技術已成為集光學、電子學、精密機械及微計算機為一體的綜合性技術，在現代光子學、光電檢測技術和現代測量技術中成果累累。隨著CCD技術的迅猛發展，針對CCD信號的采集及采集之后的信號如何與計算機進行信息通信就成為CCD應用的一個重要問題，而能夠針對CCD每一個象素進行高速采集并實時的傳輸給計算機處理，將會大大的提高采集到的CCD信號的精度并解決實時處理的問題，這在CCD信號采集和處理領域都將有非常廣闊的前景。

??? 通用串行總線USB(UniversalSerialBus)是1995年由康柏、微軟、IBM，DEC等公司為解決傳統總線不足而推廣的一種新型的通信標準。USB總線接口具有較高的數據傳輸率、使用靈活、易擴展等優點，非常適合CCD的數據采集。他有低速、全速和高速三種工作方式，即USBl．1版本中．的低速模式和全速模式，低速模式的傳輸速率為1．5Mb／s，支持一些不需要很大數據吞吐量和很高實時性的設備，如鼠標、鍵盤等；全速模式的傳輸速率可以達到12Mb／s。，可以外接速率更高的外設，適合用于線陣CCD的數據采集。在USB 2．0版本中，增加了一種高速模式，其數據傳輸率最高可以達到480Mb／s，完全可以滿足高速CCD數據采集系統的需要。

2 接口硬件組成

??? 本系統選用高速的AD(模數)轉換器，用于采集CCD信號，配以先進先出(FIFO)存儲器作為數據高速緩沖器，用于存儲AD轉換后的數據，并采用具有微控制器的USB接口芯片，從而通過USB接口將采集到的數據輸入計算機。系統原理框圖如圖1所示。

??? EZ-USBAN2131QC符合USB規范1．1版本，有4種傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸。其中同步傳輸又有2種方式，即普通讀寫方式和快速讀寫方式。在本系統中采用的是快速讀寫方式，使得芯片可以在0．5 ms內讀寫1 kB的數據。

3 軟件設計

??? 軟件主要分為3部分：USB芯片的固件程序、USB設備驅動程序以及主機的用戶應用程序。固件響應各種來自系統的USB標準請求，完成各種數據的交換工作和事件處理。USB-驅動程序為USB采集系統提供了應用軟件與USB設備的接口，他的開發使USB廣泛應用于數據采集系統成為可能。而應用軟件則實現用戶與采集系統的交互，完成數據采集命令，進行實時顯示。

3．1 固件程序代碼

??? 由USB芯片集成的加強型8051單片機來處理，當EZ-USB設備連接到USB口時，主機進行總線枚舉，根據設備ID先使用系統程序將固件下載到芯片內部，然后進行重枚舉，固件作為用戶的功能設備開始執行。

??? Cypress公司提供固件程序框架，來完成控制傳輸和大部分的數據傳輸工作。本采集系統的固件程序就是基于此固件框架開發的，使用KeilC進行編譯。程序流程圖如圖3所示。

??? 圖3中：TD_Init()為初始化全局變量；TD_Poll()為用戶功能；TD_Suspend()為響應掛起事件；TD_Resume()為響應外部喚醒事件。

??? EZ-USB使用8051的INT2來響應21種USB中斷，自動矢量(Autovector)機制幫助使8051內核進入相應的ISR(Interrupt Service Routine中斷服務例程)。在初始化函數中加入使能EZ-USB的SOF(幀起始)中斷語句，可以開始同步傳輸。每1 ms開始發生SOF中斷，標志幀的開始。在SOFISR中從外部FIFO讀取一個包長度的字節數據到端點緩沖區中。

3．2 驅動程序設計

??? USB客戶驅動程序是支持即插即用功能的標準WDM(Windows Driver Model)驅動程序，這是分層的驅動程序模型，即設備驅動被分成了若干層，典型地分成：高層驅動程序、中間層驅動程序、底層驅動程序。每層驅動再把I／O請求劃分成更簡單的請求，以傳給更下層的驅動執行。最底層的驅動程序在收到I／O請求后，通過硬件抽象層，與硬件發生作用，從而完成I／O請求工作。在這樣的架構下，上面的驅動層就不需要對每個操作系統都要開發一遍了。USB客戶驅動程序接收I／O管理器發來的IRP(I／ORequestPacket)，構造URB(USBRequest Block)傳遞給主控制驅動程序接口USBDI。在USBDI的基礎上進行編程將大大簡化，用戶不用關心IRP的類型，而只需要在相應的分發例程中通過構造URB(USBRequestBlock)并將其通過USBDI發送下去就可以實現對USB設備的控制了。

??? 開發USB設備驅動程序的工具目前廣泛應用的主要有2類：

(1)Windows DDK(Device Driver Kits)，DDK基于匯編語言的編程方式和內核模式的調用，對沒有深厚的操作系統原理和編程水平的人員來說，任務相當艱巨。

(2)NuMega公司的Driverstudio工具開發包，其中的DriverWorks實際上實現了對DDK類的封裝，可以提供給用戶驅動程序的開發框架，只需用戶在相應的代碼段中加入自己系統的控制代碼即可，不必了解內核機制，大大加速了USB外設的開發速度。本系統就是使用DriverWorks來開發USB設備驅動程序的。生成的應用接口函數在VC"中調用，大大降低了主機軟件的難度。

3．3 用戶應用程序設計

??? 應用程序實現的功能有：啟動／關閉USB設備，設置USB數據傳輸管道／端口，采集數據，顯示數據等。這里，采用VisualC++6．0作為程序的開發環境，并且充分運用了多線程的編程思想。從而實現同時進行數據采集與實時顯示。

??? 為了實現與驅動程序的通信，應用程序首先創建一個事件和一個線程，再將事件句柄傳遞給WDM，用這一線程來等待WDM發送的事件消息，接收到事件消息后，就讀取驅動程序的數據，顯示數據。

??? 在Windows中，Win32應用程序調用的APl函數有5個；CreateFile()，ReadFile()，WriteFi|e()，DeviceloControl()和CloseHandle()。
應用程序為打開一個WDM設備驅動程序，使用CreateFile()函數。他的第一個參數是一個符號鏈接名。如果用DriverWorks創建一個WDM驅動程序，通常會用類KUnitizedName生成一個設備符號鏈接名。這名字的后面有一個數字，一般是一個o。例如，若符號鏈接名為"USBDevice"，則傳遞給CreateFile()的是"＼＼＼＼．＼＼USBDevice0"。

??? 一旦應用程序獲得設備的有效句柄，他就能夠調用Win32函數，這將產生對應于此設備對象的相應IRP，發送給驅動程序，完成相應功能。這種關系如表1所示。

4 結 語

??? 本采集系統利用USB技術實現與計算機通信，有眾多的優點：
①安裝方便，支持即插即用。
②供電方便，可直接由主機通過USB接口提供5V的電壓。
⑧性價比高，遠優于并行口和串行口的CCD圖像采集系統。